Studies on nitrifying microorganisms in Cochin Estuary and adjacent coastal waters

This thesis entitled “Studies on Nitrifying Microorganisms in Cochin Estuary and Adjacent Coastal Waters” reports for the first time the spatial andtemporal variations in the abundance and activity of nitrifiers (Ammonia oxidizingbacteria-AOB; Nitrite oxidizing bacteria- NOB and Ammonia oxidizing archaea-AOA) from the Cochin Estuary (CE), a monsoon driven, nutrient rich tropicalestuary along the southwest coast of India. To fulfil the above objectives, field observations were carried out for aperiod of one year (2011) in the CE. Surface (1 m below surface) and near-bottomwater samples were collected from four locations (stations 1 to 3 in estuary and 4 in coastal region), covering pre-monsoon, monsoon and post-monsoon seasons. Station 1 is a low saline station (salinity range 0-10) with high freshwater influx While stations 2 and 3 are intermediately saline stations (salinity ranges 10-25). Station 4 is located ~20 km away from station 3 with least influence of fresh water and is considered as high saline (salinity range 25- 35) station. Ambient physicochemical parameters like temperature, pH, salinity, dissolved oxygen (DO), Ammonium, nitrite, nitrate, phosphate and silicate of surface and bottom waters were measured using standard techniques. Abundance of Eubacteria, total Archaea and ammonia and nitrite oxidizing bacteria (AOB and NOB) were quantified using Fluorescent in situ Hybridization (FISH) with oligonucleotide probes labeled withCy3. Community structure of AOB and AOA was studied using PCR Denaturing Gradient Gel Electrophoresis (DGGE) technique. PCR products were cloned and sequenced to determine approximate phylogenetic affiliations. Nitrification rate in the water samples were analyzed using chemical NaClO3 (inhibitor of nitrite oxidation), and ATU (inhibitor of ammonium oxidation). Contribution of AOA and AOB in ammonia oxidation process was measured based on the recovered ammonia oxidation rate. The contribution of AOB and AOA were analyzed after inhibiting the activities of AOB and AOA separately using specific protein inhibitors. To understand the factors influencing or controlling nitrification, various statistical tools were used viz. Karl Pearson’s correlation (to find out the relationship between environmental parameters, bacterial abundance and activity), three-way ANOVA (to find out the significant variation between observations), Canonical Discriminant Analysis (CDA) (for the discrimination of stations based on observations), Multivariate statistics, Principal components analysis (PCA) and Step up multiple regression model (SMRM) (First order interaction effects were applied to determine the significantly contributing biological and environmental parameters to the numerical abundance of nitrifiers). In the CE, nitrification is modulated by the complex interplay between different nitrifiers and environmental variables which in turn is dictated by various hydrodynamic characteristics like fresh water discharge and seawater influx brought in by river water discharge and flushing. AOB in the CE are more adapted to varying environmental conditions compared to AOA though the diversity of AOA is higher than AOB. The abundance and seasonality of AOB and NOB is influenced by the concentration of ammonia in the water column. AOB are the major players in modulating ammonia oxidation process in the water column of CE. The distribution pattern and seasonality of AOB and NOB in the CE suggest that these organisms coexist, and are responsible for modulating the entire nitrification process in the estuary. This process is fuelled by the cross feeding among different nitrifiers, which in turn is dictated by nutrient levels especially ammonia. Though nitrification modulates the increasing anthropogenic ammonia concentration the anthropogenic inputs have to be controlled to prevent eutrophication and associated environmental changes.

A Study of Single Stage Semi‐Dry Anaerobic Digestion of Organic Fraction of Municipal Solid Waste

Solid waste generation is a natural consequence of human activity and is increasing along with population growth, urbanization and industrialization. Improper disposal of the huge amount of solid waste seriously affects the environment and contributes to climate change by the release of greenhouse gases. Practicing anaerobic digestion (AD) for the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) can reduce emissions to environment and thereby alleviate the environmental problems together with production of biogas, an energy source, and digestate, a soil amendment. The amenability of substrate for biogasification varies from substrate to substrate and different environmental and operating conditions such as pH, temperature, type and quality of substrate, mixing, retention time etc. Therefore, the purpose of this research work is to develop feasible semi-dry anaerobic digestion process for the treatment of OFMSW from Kerala, India for potential energy recovery and sustainable waste management. This study was carried out in three phases in order to reach the research purpose. In the first phase, batch study of anaerobic digestion of OFMSW was carried out for 100 days at 32°C (mesophilic digestion) for varying substrate concentrations. The aim of this study was to obtain the optimal conditions for biogas production using response surface methodology (RSM). The parameters studied were initial pH, substrate concentration and total organic carbon (TOC). The experimental results showed that the linear model terms of initial pH and substrate concentration and the quadratic model terms of the substrate concentration and TOC had significant individual effect (p < 0.05) on biogas yield. However, there was no interactive effect between these variables (p > 0.05). The optimum conditions for maximizing the biogas yield were a substrate concentration of 99 g/l, an initial pH of 6.5 and TOC of 20.32 g/l. AD of OFMSW with optimized substrate concentration of 99 g/l [Total Solid (TS)-10.5%] is a semi-dry digestion system .Under the optimized condition, the maximum biogas yield was 53.4 L/kg VS (volatile solid).. In the second phase, semi-dry anaerobic digestion of organic solid wastes was conducted for 45 days in a lab-scale batch experiment for substrate concentration of 100 g/l (TS-11.2%) for investigating the start-up performances under thermophilic condition (50°C). The performance of the reactor was evaluated by measuring the daily biogas production and calculating the degradation of total solids and the total volatile solids. The biogas yield at the end of the digestion was 52.9 L/kg VS for the substrate concentration of 100 g/l. About 66.7% of volatile solid degradation was obtained during the digestion. A first order model based on the availability of substrate as the limiting factor was used to perform the kinetic studies of batch anaerobic digestion system. The value of reaction rate constant, k, obtained was 0.0249 day-1. A laboratory bench scale reactor with a capacity of 36.8 litres was designed and fabricated to carry out the continuous anaerobic digestion of OFMSW in the third phase. The purpose of this study was to evaluate the performance of the digester at total solid concentration of 12% (semi-dry) under mesophlic condition (32°C). The digester was operated with different organic loading rates (OLRs) and constant retention time. The performance of the reactor was evaluated using parameters such as pH, volatile fatty acid (VFA), alkalinity, chemical oxygen demand (COD), TOC and ammonia-N as well as biogas yield. During the reactor’s start-up period, the process is stable and there is no inhibition occurred and the average biogas production was 14.7 L/day. The reactor was fed in continuous mode with different OLRs (3.1,4.2 and 5.65 kg VS/m3/d) at constant retention time of 30 days. The highest volatile solid degradation of 65.9%, with specific biogas production of 368 L/kg VS fed was achieved with OLR of 3.1 kg VS/m3/d. Modelling and simulation of anaerobic digestion of OFMSW in continuous operation is done using adapted Anaerobic Digestion Model No 1 (ADM1).The proposed model, which has 34 dynamic state variables, considers both biochemical and physicochemical processes and contains several inhibition factors including three gas components. The number of processes considered is 28. The model is implemented in Matlab® version 7.11.0.584(R2010b). The model based on adapted ADM1 was tested to simulate the behaviour of a bioreactor for the mesophilic anaerobic digestion of OFMSW at OLR of 3.1 kg VS/m3/d. ADM1 showed acceptable simulating results.

Cereal/legume rotation effects on rhizosphere bacterial community structure in West African soils

The increased use of cereal/legume crop rotation has been advocated as a strategy to increase cereal yields of subsistence farmers in West Africa, and is believed to promote changes in the rhizosphere that enhance early plant growth. In this study we investigated the microbial diversity of the rhizoplane from seedlings grown in two soils previously planted to cereal or legume from experimental plots in Gaya, Niger, and Kaboli, Togo. Soils from these legume rotation and continuous cereal plots were placed into containers and sown in a growth chamber with maize (Zea mays L.), millet (Pennisetum glaucum L.), sorghum (Sorghum bicolor L. Moench.), cowpea (Vigna unguiculata L.) or groundnut (Arachis hypogaea L.). At 7 and 14 days after sowing, 16S rDNA profiles of the eubacterial and ammoniaoxidizing communities from the rhizoplane and bulk soil were generated using denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE). Community profiles were subjected to peak fitting analyses to quantify the DNA band position and intensities, after which these data were compared using correspondence and principal components analysis. The data showed that cropping system had a highly significant effect on community structure (p <0.005), irrespective of plant species or sampling time. Continuous cereal-soil grown plants had highly similar rhizoplane communities across crop species and sites, whereas communities from the rotation soil showed greater variability and clustered with respect to plant species. Analyses of the ammonia-oxidizing communities provided no evidence of any effects of plant species or management history on ammonia oxidizers in soil from Kaboli, but there were large shifts with respect to this group of bacteria in soils from Gaya. The results of these analyses show that crop rotation can cause significant shifts in rhizosphere bacterial communities.

Einfluß der Gewässerversauerung auf Hyporheos und Bryorheos: Untersuchungen an zwei Waldbächen im Westharz

Im Rahmen der Fallstudie Harz sollte an der Schnittstelle zwischen Grundlagenforschung und angewandter Forschung ein Beitrag zur Klärung der Frage geleistet werden, inwieweit zwei Zuläufe der Sösetalsperre im Westharz versauert bzw. versauerungsgefährdet sind; aus diesem Stausee wird Trinkwasser für mehrere Gemeinden in Norddeutschland gewonnen. Die Belastung des fast vollständig bewaldeten Einzugsgebiets der Sösetalsperre mit luftbürtigen Schadstoffen (Saurer Regen) zählte zu den höchsten in Mitteleuropa. An jeweils drei Untersuchungsstellen der beiden Bäche Alte Riefensbeek (R1 bis R3) und Große Söse (S1 bis S3) wurden zwischen März 1987 und November 1988 Proben aus Moospolstern und dem hyporheischen Interstitial entnommen und physikalisch, chemisch und biologisch untersucht. Ergänzend wurden Wasserproben zwischen März 1986 und Oktober 1991 sowie vom April 1998 ebenso wie qualitative Fänge von Makroinvertebraten zwischen November 1986 und Juli 1990 sowie vom April 1998 ausgewertet. Die Analyse der tierischen Besiedlung der Moos- und Interstitialproben beschränkte sich auf die taxonomischen Gruppen Turbellaria (Strudelwürmer), Mollusca (Weichtiere), Amphipoda (Flohkrebse), Ephemeroptera (Eintagsfliegen), Plecoptera (Steinfliegen), Heteroptera (Wanzen), Megaloptera (Schlammfliegen), Coleoptera (Käfer), Trichoptera (Köcherfliegen) und Diptera (Zweiflügler). Der Grundsatz, daß normalverteilte und nicht normalverteilte Daten statistisch unterschiedlich behandelt werden müssen, wurde konsequent angewandt. Am Beispiel der Choriotopstruktur wurde gezeigt, daß die Auswahl des Analyseverfahrens das Ergebnis der ökologischen Interpretation multivariater statistischer Auswertung beeinflußt. Die Daten der Korngrößen-Verteilung wurden vergleichend einer univariaten und einer multivariaten statistischen Analyse unterworfen. Mit dem univariaten Verfahren wurden die Gradienten der ökologisch relevanten Korngrößen-Parameter eher erkannt als mit dem multivariaten Verfahren. Die Auswirkungen von Gewässerversauerung sowie anderer Umweltfaktoren (insgesamt 42 Faktoren) auf die Lebensgemeinschaften wurden anhand der Parameter Artenzahl, Besiedlungsdichte, Körpergröße und Biomasse untersucht. Abundanz, Biomasse und Körpergröße sowie die Umweltfaktoren wurden auf einem horizontalen Gradienten, d.h. im Längslauf der Bäche, und auf einem vertikalen Gradienten, d.h. fließende Welle / Bryorheon / Benthon versus Hyporheon, untersucht. Es wurde ein terminologisches System für die Kompartimente in der Fließgewässer-Aue vorgeschlagen, das in sich einheitlich ist. Es wurde ein neuer Moos-Vitalitätsindex für die Moospolster vorgestellt. Es wurden Bestimmungsschlüssel für die Larven der Chloroperlidae (Steinfliegen-Familie) und der Empididae (Tanzfliegen) in den beiden Harzbächen entwickelt. Die untersuchten Bachstrecken waren frei von Abwasserbelastung. An zwei Stellen wurde Wasser für einen Forellenteich ausgeleitet. Abgesehen von zwei meterhohen Abstürzen in der Großen Söse waren wasserbauliche Veränderungen ohne große Bedeutung. Das Abfluß-Regime war insofern nicht mehr natürlich, als beide Bäche in das System der bergbaulichen Bewässerungsgräben des Oberharzes eingebunden sind. Die Söse hatte ein F-nivopluviales Abfluß-Regime, der abflußreichste Doppelmonat war der März / April, die Unregelmäßigkeit des Abfluß-Regimes war sehr hoch, die Vorhersagbarkeit sehr niedrig, die monatlichen Abfluß-Maxima wiesen eine sehr geringe Konstanz auf. Der Zeitraum der biologischen Probenahme wurde von überdurchschnittlich vielen Tagen mit mäßig erhöhten Abflüssen geprägt, sehr große Hochwasser-Wellen fehlten aber. Die Abfluß-Dynamik wurde statistisch beschrieben. Das hydraulische Regime wurde anhand der Meßgrößen Fließgeschwindigkeit, Fließkraft und FROUDE-Zahl dargestellt. Der Zusammenhang zwischen Abfluß und Fließgeschwindigkeit auf der einen Seite und der Korngrößen-Verteilung auf der anderen Seite wurde statistisch untersucht, ebenfalls zwischen dem Abfluß und dem Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel sowie dem Wasserchemismus. In den Phasen ohne Hochwasser hatte das Hyporheal die Funktion einer Senke für Feinstkörner. Das Bachbett der Alten Riefensbeek war stabiler als das der Großen Söse. Insgesamt gesehen war das hyporheische Sediment in den quellnahen Abschnitten grobkörniger und auf den quellfernen Strecken feinkörniger. Der prozentuale Anteil der Feinstkörner im Hyporheal und Benthal nahm aber im Längslauf der Bäche ab. Dies ist ungewöhnlich, konnte aber nicht plausibel mit geologischen und hydrologischen Meßgrößen erklärt werden. Beide Bäche waren sommerkalt. Der Einfluß der Wassertemperatur auf die Larvalentwicklung wurde beispielhaft an den Taxa Baetis spp. und Leuctra gr. inermis untersucht. Es gab eine Tendenz, daß der Kohlenstoff- und Stickstoff-Gehalt der Feinstpartikel vom Benthal in das Hyporheal anstieg. Dies war ein weiterer Hinweis darauf, daß das Hyporheal die Funktion einer Senke und Vorratskammer für Nährstoffe hat. Der Zusammenhang zwischen partikulärer und gelöster Kohlenstoff-Fraktion wurde diskutiert. Im Hyporheon war die Nitrifikation nicht stärker als in der fließenden Welle. Es gab Hinweise, daß die sauren pH-Werte in der Großen Söse die Nitrifikation hemmten. Die Valenzen der Moos- und Tier-Taxa bezüglich Fließgeschwindigkeit, pH-Wert, Alkalinität sowie der Gehalte von Sauerstoff, Calcium, Magnesium, Kalium und Natrium wurden zusammengestellt. Das hyporheische Sediment war sehr grob und hatte eine hohe Porosität. Der Austausch zwischen fließender Welle und hyporheischem Wasser konnte deshalb sehr schnell erfolgen, es gab keine intergranulare Sprungschicht, die physikalischen und chemischen Tiefengradienten waren in den meisten Fällen gar nicht ausgeprägt oder nur sehr flach. Die Wassertemperatur des Freiwassers unterschied sich nicht signifikant von derjenigen im hyporheischen Wasser. Es gab -- von wenigen Ausnahmen bei pH-Wert, Leitfähigkeit und Sauerstoffgehalt abgesehen -- keine signifikanten Unterschiede zwischen dem Wasserchemismus der fließenden Welle und dem des Hyporheals. Die physikalischen und chemischen Voraussetzungen für die Refugialfunktion des Hyporheons waren deshalb für versauerungsempfindliche Taxa nicht gegeben. In der Tiefenverteilung der untersuchten Tiergruppen im Hyporheal lag das Maximum der Abundanz bzw. Biomasse häufiger in 10 cm als in 30 cm Tiefe. Daraus läßt sich aber keine allgemeine Gesetzmäßigkeit ableiten. Es wurde durchgehend die Definition angewendet, daß die Gewässerversauerung durch den Verlust an Pufferkapazität charakterisiert ist. Saure Gewässer können, müssen aber nicht versauert sein; versauerte Gewässer können, müssen aber nicht saures Wasser haben. Maßstab für das Pufferungsvermögen eines Gewässers ist nicht der pH-Wert, sondern sind die Alkalinität und andere chemische Versauerungsparameter. Der pH-Wert war auch operativ nicht als Indikator für Gewässerversauerung anwendbar. Die chemische Qualität des Bachwassers der Großen Söse entsprach aufgrund der Versauerung nicht den umweltrechtlichen Vorgaben bezüglich der Parameter pH-Wert, Aluminium, Eisen und Mangan, bzgl. Zink galt dies nur an S1. In der Alten Riefensbeek genügte das Hyporheal-Wasser in 30 cm Tiefe an R2 bzgl. des Sauerstoff-Gehalts nicht den umweltrechtlichen Anforderungen. Nur im Freiwasser an R1 genügten die Ammonium-Werte den Vorgaben der EG-Fischgewässer-Richtlinie, der Grenzwert wurde an allen anderen Meßstellen und Entnahmetiefen überschritten. Das BSB-Regime in allen Entnahmetiefen an R2, im Freiwasser an R3 und S1, im Hyporheal an R1 sowie in 30 cm Tiefe an R3 genügte nicht den Anforderungen der Fischgewässer-Richtlinie. Der Grenzwert für Gesamt-Phosphor wurde an S3 überschritten. In der Großen Söse war der Aluminium-Gehalt so hoch, daß anorganisches und organisches Aluminium unterschieden werden konnten. Besonders hohe Gehalte an toxischem anorganischen Aluminium wurden an Tagen mit Spitzen-Abflüssen und Versauerungsschüben gemessen. Erst die Ermittlung verschiedener chemischer Versauerungsparameter zeigte, daß auch die alkalischen Probestellen R2 und R3 mindestens versauerungsempfindlich waren. Die Messung bzw. Berechnung von chemischen Versauerungsparametern sollte deshalb zum Routineprogramm bei der Untersuchung von Gewässerversauerung gehören. Zu Beginn des Untersuchungsprogramms war angenommen worden, daß die mittleren und unteren Abschnitte der Alten Riefensbeek unversauert sind. Dieser Ansatz des Untersuchungsprogramms, einen unversauerten Referenzbach (Alte Riefensbeek) mit einem versauerten Bach (Große Söse) zu vergleichen, mußte nach der Berechnung von chemischen Versauerungsindikatoren sowie der Analyse der Abundanz- und Biomasse-Werte modifiziert werden. Es gab einen Versauerungsgradienten entlang der Probestellen: R1 (unversauert) R2 und R3 (versauerungsempfindlich bis episodisch leicht versauert) S2 und S3 (dauerhaft versauert) S1 (dauerhaft stark versauert). An S1 war das Hydrogencarbonat-Puffersystem vollständig, an S2 und S3 zeitweise ausgefallen. Die Versauerungslage an R2 und R3 war also schlechter als vorausgesehen. Unterschiede im Versauerungsgrad zwischen den Meßstellen waren nicht so sehr in unterschiedlichen Eintragsraten von versauernden Stoffen aus der Luft begründet, sondern in unterschiedlichen Grundgesteinen mit unterschiedlichem Puffervermögen. Der Anteil der verschiedenen sauren Anionen an der Versauerung wurde untersucht, die chemischen Versauerungsmechanismen wurden mit Hilfe von Ionenbilanzen und verschiedenen Versauerungsquotienten analysiert. Die beiden untersuchten Bäche waren von anthropogener Versauerung betroffen. Dabei spielte die Schwefel-Deposition (Sulfat) eine größere Rolle als die Stickstoff-Deposition (Nitrat). Die Probestelle S1 war immer schon in unbekanntem Maß natürlich sauer. Dieser natürlich saure Zustand wurde von der hinzugekommenen anthropogenen Versauerung bei weitem überragt. Die wenigen gewässerökologischen Daten, die im Wassereinzugsgebiet der Söse vor 1986 gewonnen wurden, deuten darauf hin, daß die Versauerung in den 70er und in der ersten Hälfte der 80er Jahre vom Boden und Gestein in die Bäche durchgeschlagen war. Dieser Versauerungsprozeß begann vermutlich vor 1973 in den Quellen auf dem Acker-Bruchberg und bewegte sich im Laufe der Jahre immer weiter talwärts in Richtung Trinkwasser-Talsperre. Der Mangel an (historischen) freilandökologischen Grundlagendaten war nicht nur im Untersuchungsgebiet, sondern ist allgemein in der Versauerungsforschung ein Problem. Wenn sich das Vorkommen von nah verwandten Arten (weitgehend) ausschließt, kann dies an der Versauerung liegen, z.B. war die Alte Riefensbeek ein Gammarus-Bach, die Große Söse ein Niphargus-Bach; dieses muß aber nicht an der Versauerung liegen, z.B. fehlte Habroleptoides confusa im Hyporheos an R3, Habrophlebia lauta hatte dagegen ihr Abundanz- und Biomasse-Maximum an R3. Zugleich lag das Maximum des prozentualen Anteils von Grobsand an R3, eine mögliche Ursache für diese interspezifische Konkurrenz. Die biologische Indikation von Gewässerversauerung mit Hilfe der Säurezustandsklassen funktionierte nicht in den beiden Harzbächen. Es wurde deshalb ein biologischer Versauerungsindex vorgeschlagen; dieser wurde nicht am pH-Wert kalibriert, sondern an der chemischen Versauerungslage, gekennzeichnet durch die Alkalinität und andere chemische Meßgrößen der Versauerung. Dafür wurden aufgrund der qualitativen und quantitativen Daten die häufigeren Taxa in die vier Klassen deutlich versauerungsempfindlich, mäßig versauerungsempfindlich, mäßig versauerungstolerant und deutlich versauerungstolerant eingeteilt. Es reicht nicht aus, die biologischen Folgen von Gewässerversauerung sowie Veränderungen in der Nährstoff-Verfügbarkeit und im sonstigen Wasserchemismus nur anhand der Artenzahl oder des Artenspektrums abzuschätzen. Vielmehr müssen quantitative Methoden wie die Ermittlung der Abundanzen angewandt werden, um anthropogene und natürliche Störungen des Ökosystems zu erfassen. Es wurde eine Strategie für die behördliche Gewässergüteüberwachung von Bachoberläufen vorgeschlagen, die flächendeckend die Versauerungsgefährdung erfassen kann. Die Auswirkungen der zeitlichen Dynamik des Versauerungschemismus wurden am Beispiel des versauerungsempfindlichen Taxons Baetis spp. (Eintagsfliegen) dargestellt. An S2 und S3 kam es zu starken Versauerungsschüben. Baetis konnte sich nicht ganzjährig halten, sondern nur in versauerungsarmen Phasen im Sommer und im Herbst; es gab einen Besiedlungskreislauf aus Ausrottungs- und Wiederbesiedlungsphasen. Die temporäre Population von Baetis an S2 und S3 bestand nur aus ersten Larvenstadien. Die Probestellen wurden auf horizontalen Gradienten der Umweltfaktoren angeordnet. Bei einigen Parametern gab es keinen Gradienten (z.B. Sauerstoff-Gehalt), bei anderen Parametern waren die Meßstellen auf sehr flachen Gradienten angeordnet (z.B. C:N-Quotient der Feinstkörner), bei den restlichen Meßgrößen waren die Gradienten sehr deutlich (z.B. Alkalinität). Bei den Längsgradienten von Abundanz und Biomasse waren alle Möglichkeiten vertreten: Zunahme (z.B. Leuctra pseudosignifera), Abnahme (z.B. Gammarus pulex), Maximum an der mittleren Probestelle (z.B. Leuctra pseudocingulata) und kein signifikanter Trend (z.B. Nemoura spp.). Abundanz und Biomasse zahlreicher taxonomischer Einheiten hatten ihr Maximum im Längslauf an den quellnächsten Probestellen R1 und S1, z.B. Protonemura spp. und Plectrocnemia spp. Die Lebensgemeinschaften an R1 und S1 waren allerdings völlig unterschiedlich zusammengesetzt. Die häufig vertretene Annahme, versauerte Gewässer seien biologisch tot, ist falsch. Unter Anwendung des 3. biozönotischen Grundprinzips wurde das Maximum von Abundanz und Biomasse in den quellnahen Abschnitten mit dem eustatistischen (stabilen) Regime von Wassertemperatur, Abfluß und Protonen-Gehalt, in der Alten Riefensbeek auch von Alkalinität und ALMER-Relation erklärt. Aufgrund der natürlichen und anthropogenen Störungen war im Längslauf der untersuchten Bäche keine natürliche biozönotische Gliederung des Artenbestands erkennbar. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und der Taxazahl ergaben, daß in erster Linie versauerungsrelevante Parameter -- Gehalte saurer Anionen, basischer Kationen und von Metallen, Alkalinität usw. -- die höchsten Korrelationskoeffizienten mit der Taxa-Zahl hatten; unter den natürlichen Meßgrößen zählten nur die Gehalte von DOC und TIC sowie der Anteil der Sande zu der Gruppe mit den höchsten Korrelationskoeffizienten. Die Korrelationsberechnungen zwischen den Umweltfaktoren und den Abundanzen ergab dagegen, daß die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft nicht nur durch die anthropogene Gewässerversauerung, sondern mindestens genauso durch einige natürliche Meßgrößen beeinflußt wurde. Es gab in den Harzbächen keinen ökologischen Superfaktor, der die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft überwiegend bestimmte. Auch die Meßgrößen der anthropogenen Gewässerversauerung waren nicht solch ein Superfaktor. Einen ähnlich hohen Einfluß auf die quantitative Zusammensetzung der Lebensgemeinschaft hatten die geologisch bestimmten Umweltfaktoren Leitfähigkeit und TIC-Gehalt, der von der Landnutzung bestimmte DOC-Gehalt sowie der Chlorid-Gehalt, der geologisch, möglicherweise aber auch durch den Eintrag von Straßensalz bestimmt wird. Die Mischung von anthropogenen und natürlichen Faktoren wurde in einem Modell der Wirkung von abiotischen Faktoren auf Bryorheos und Hyporheos dargestellt. Als Beispiel für die zeitliche Nutzung ökologischer Nischen wurde die Verteilung der Larven und Adulten der Dryopidae (Hakenkäfer) im Hyporheos und Bryorheos untersucht. Die Larven wurden vorzugsweise im Hyporheon, die Adulten im Bryorheon angetroffen. Die untersuchten Taxa wurden in die Varianten bryorheobiont, bryorheophil, bryorheotolerant, bryorheoxen und bryorheophob bzw. hyporheobiont, hyporheophil, hyporheotolerant, hyporheoxen und hyporheophob eingeteilt, um ihre räumliche Nutzung ökologischer Nischen zu beschreiben. Die gängige Lehrmeinung, daß das Hyporheon die Kinderstube benthaler Makroinvertebraten ist, konnte für zahlreiche Taxa bestätigt werden (z.B. Habrophlebia lauta). Für die bryorheophilen Taxa (z.B. Gammarus pulex und Baetis spp.) trifft diese Lehrmeinung in den beiden Harzbächen nicht zu. Vielmehr übernimmt das Bryorheon die Funktion einer Kinderstube. Die Larven von Plectrocnemia conspersa / geniculata sowie von Baetis spp. und Amphinemura spp. / Protonemura spp. neben Gammarus pulex zeigten eine Habitatbindung, die erstgenannte Gattung an das Hyporheal, die letztgenannten 3 Taxa an untergetauchte Moospolster (Bryorheal). Die Idee von der Funktion des Hyporheals als Kinderstube der Larven und Jungtiere, als Schutzraum gegen die Verdriftung durch Strömung und vor Fraßdruck durch Räuber sowie als Ort hohen Nahrungsangebots mußte für die letztgenannten 3 Taxa abgelehnt werden. Für sie übernahm das Bryorheal diese Aufgaben. Zwar waren die beiden Bäche oligotroph und die Nahrungsqualität der Feinstkörner im Hyporheal war niedrig. Die Abundanz- und Biomasse-Werte im Bryorheos und Hyporheos gehörten aber zu den weltweit höchsten. Es wurde das Paradoxon diskutiert, daß im Hyporheon der beiden Bäche Diatomeen-Rasen gefunden wurden, obwohl das Hyporheon lichtlos sein soll. Das Hyporheon wurde als ein Ökoton zwischen Benthon / Rheon und Stygon angesehen. Es wurden vier Haupttypen des Hyporheons beschrieben. Wegen des sehr unterschiedlichen Charakters des Hyporheons in verschiedenen Fließgewässern gibt es keinen einheitlichen Satz von abiotischen und biotischen Faktoren, mit denen das Hyporheon vom Benthon und Stygon abgegrenzt werden kann. In den beiden Harzbächen ähnelte das Hyporheon mehr dem Benthon als dem Stygon. Es konnte nicht anhand der chemischen Meßgrößen vom Benthon abgegrenzt werden, sondern anhand der physikalischen Meßgrößen Trübung und der Anteile von Feinsand und Schluffe/Tone sowie anhand der biologischen Parameter Summen-Abundanz und Summen-Biomasse. Aus der Typologie des Hyporheons folgt, daß ein bestimmtes Hyporheon nicht alle in der Literatur beschriebenen Funktionen innerhalb der Fließgewässer-Aue übernehmen kann. Es wurde ein Schema entwickelt, mit dem sich die optimale Liste der Parameter für die Untersuchung eines bestimmten Hyporheons auswählen läßt. Der Tendenz in der Fließgewässer-Ökologie, immer neue Konzepte zu entwickeln, die allgemeingültig sein sollen, wurde das Konzept vom individuellen Charakter von Fließgewässer-Ökosystemen entgegengestellt.

Carbon and nitrogen emissions from stored manure and cropped fields in irrigated mountain oases of Oman

Little is known about gaseous carbon (C) and nitrogen (N) emissions from traditional terrace agriculture in irrigated high mountain agroecosystems of the subtropics. In an effort towards filling this knowledge gap measurements of carbon dioxide (CO_2), methane (CH_4), ammonia (NH_3) and dinitrous oxide (N_2O) were taken with a mobile photoacoustic infrared multi-gas monitor on manure-filled PE-fibre storage bags and on flood-irrigated untilled and tilled fields in three mountain oases of the northen Omani Al Jabal al Akhdar mountains. During typical 9-11 day irrigation cycles of March, August and September 2006 soil volumetric moisture contents of fields dominated by fodder wheat, barley, oats and pomegranate ranged from 46-23%. While manure incorporation after application effectively reduced gaseous N losses, prolonged storage of manure in heaps or in PE-fibre bags caused large losses of C and N. Given the large irrigation-related turnover of organic C, sustainable agricultural productivity of oasis agriculture in Oman seems to require the integration of livestock which allows for several applications of manure per year at individual rates of 20 t dry matter ha^−1.

Short-term effects of human urine fertiliser and wood ash on soil pH and electrical conductivity

The fertiliser value of human urine has been examined on several crops, yet little is known about its effects on key soil properties of agronomic significance. This study investigated temporal soil salinization potential of human urine fertiliser (HUF). It further looked at combined effects of human urine and wood ash (WA) on soil pH, urine-NH_3 volatilisation, soil electrical conductivity (EC), and basic cation contents of two Acrisols (Adenta and Toje series) from the coastal savannah zone of Ghana. The experiment was a factorial design conducted in the laboratory for 12 weeks. The results indicated an increase in soil pH by 1.2 units for Adenta series and 1 unit for Toje series after one week of HUF application followed by a decline by about 2 pH units for both soil types after twelve weeks. This was attributed to nitrification of ammonium to nitrate leading to acidification. The EC otherwise increased with HUF application creating slightly saline conditions in Toje series and non-saline conditions in Adenta series. When WA was applied with HUF, both soil pH and EC increased. In contrast, the HUF alone slightly salinized Toje series, but both soils remained non-saline whenWA and HUF were applied together. The application ofWA resulted in two-fold increase in Ca, Mg, K, and Na content compared to HUF alone. Hence, WA is a promising amendment of acid soils and could reduce the effect of soluble salts in human urine fertilizer, which is likely to cause soil salinity.

Carbon Nanotube Growth Using Ni Catalyst in Different Layouts

Vertically aligned carbon nanotubes have been grown using Ni as catalyst by plasma enhanced chemical vapor deposition system (PECVD) in various pre-patterned substrates. Ni was thermally evaporated on silicon substrates with anodized alumina mask prepared in different methods including 2 step anodization of porous alumina template and interference lithography assisted array of pores. The templates helped to define Ni nanodots inside the pores which in turn catalyzed the growth of carbon nanotubes inside the PECVD system at temperature of 700-750C using mixture of ammonia and acetylene gases. The resulting well-aligned multi-walled carbon nanotubes were further investigated using SEM, TEM and Raman spectroscopy. The size, shape and structure of the grown carbon nanotubes were also discussed.

Treatment of nonlinear optical properties due to large amplitude anharmonic vibrational motions: umbrella motion in NH3

A general reduced dimensionality finite field nuclear relaxation method for calculating vibrational nonlinear optical properties of molecules with large contributions due to anharmonic motions is introduced. In an initial application to the umbrella (inversion) motion of NH3 it is found that difficulties associated with a conventional single well treatment are overcome and that the particular definition of the inversion coordinate is not important. Future applications are described

Desarrollo del proceso anammox para el tratamiento de lixiviados: puesta en marcha y aplicación

La eliminación biológica de nitrógeno amoniacal se ha llevado a cabo, habitualmente, a través del proceso convencional de nitrificación-desnitrificación. Sin embargo, los lixiviados generados en los depósitos controlados de residuos sólidos urbanos contienen elevadas cantidades de amonio y bajas concentraciones de materia orgánica biodegradable, así como una elevada salinidad. En este caso, para reducir el elevado coste económico que supone aplicar los procesos convencionales en este tipo de efluentes es conveniente desarrollar sistemas alternativos. Uno de estos nuevos procesos biológicos se basa en el proceso anammox (acrónimo en inglés de anaerobic ammonium oxidation) previa nitritación parcial de amonio a nitrito. El proceso anammox es un proceso autotrófico que realiza la conversión de amonio y nitrito a nitrógeno gas bajo condiciones anaerobias. El menor consumo de oxígeno durante el proceso de nitritación parcial y la no necesidad de adicionar materia orgánica para desnitrificar representan un importante ahorro económico respecto a los tratamientos convencionales

Geostatistics for constrained variables: positive data, compositions and probabilities. Applications to environmental hazard monitoring

Aquesta tesi estudia com estimar la distribució de les variables regionalitzades l'espai mostral i l'escala de les quals admeten una estructura d'espai Euclidià. Apliquem el principi del treball en coordenades: triem una base ortonormal, fem estadística sobre les coordenades de les dades, i apliquem els output a la base per tal de recuperar un resultat en el mateix espai original. Aplicant-ho a les variables regionalitzades, obtenim una aproximació única consistent, que generalitza les conegudes propietats de les tècniques de kriging a diversos espais mostrals: dades reals, positives o composicionals (vectors de components positives amb suma constant) són tractades com casos particulars. D'aquesta manera, es generalitza la geostadística lineal, i s'ofereix solucions a coneguts problemes de la no-lineal, tot adaptant la mesura i els criteris de representativitat (i.e., mitjanes) a les dades tractades. L'estimador per a dades positives coincideix amb una mitjana geomètrica ponderada, equivalent a l'estimació de la mediana, sense cap dels problemes del clàssic kriging lognormal. El cas composicional ofereix solucions equivalents, però a més permet estimar vectors de probabilitat multinomial. Amb una aproximació bayesiana preliminar, el kriging de composicions esdevé també una alternativa consistent al kriging indicador. Aquesta tècnica s'empra per estimar funcions de probabilitat de variables qualsevol, malgrat que sovint ofereix estimacions negatives, cosa que s'evita amb l'alternativa proposada. La utilitat d'aquest conjunt de tècniques es comprova estudiant la contaminació per amoníac a una estació de control automàtic de la qualitat de l'aigua de la conca de la Tordera, i es conclou que només fent servir les tècniques proposades hom pot detectar en quins instants l'amoni es transforma en amoníac en una concentració superior a la legalment permesa.

Simulating metals and mine discharges in river basins using a new integrated catchment model for metals: pollution impacts and restoration strategies in the Aries-Mures river system in Transylvania, Romania

The INtegrated CAtchment (INCA) model has been developed to simulate the impact of mine discharges on river systems. The model accounts for the key kinetic chemical processes operating as well as the dilution, mixing and redistribution of pollutants in rivers downstream of mine discharges or acid rock drainage sites. The model is dynamic and simulates the day-to-day behaviour of hydrology and eight metals (cadmium, mercury, copper, zinc, lead, arsenic, manganese and chromium) as well as cyanide and ammonia. The model is semi-distributed and can simulate catchments, sub-catchment and in-stream river behaviour. The model has been applied to the Roia Montan Mine in Transylvania, Romania, and used to assess the impacts of old mine adits on the local catchments as well as on the downstream Aries and Mures river system. The question of mine restoration is investigated and a set of clean-up scenarios investigated. It is shown that the planned restoration will generate a much improved water quality from the mine and also alleviate the metal pollution of the river system.

Potential impacts of climate change on water quality and ecology in six UK rivers

A modelling study has been undertaken to assess the likely impacts of climate change on water quality across the UK. A range of climate change scenarios have been used to generate future precipitation, evaporation and temperature time series at a range of catchments across the UK. These time series have then been used to drive the Integrated Catchment (INCA) suite of flow, water quality and ecological models to simulate flow, nitrate, ammonia, total and soluble reactive phosphorus, sediments, macrophytes and epiphytes in the Rivers Tamar, Lugg, Tame, Kennet, Tweed and Lambourn. A wide range of responses have been obtained with impacts varying depending on river character, catchment location, flow regime, type of scenario and the time into the future. Essentially upland reaches of river will respond differently to lowland reaches of river, and the responses will vary depending on the water quality parameter of interest.

Nitrosospira spp. can produce nitrous oxide via a nitrifier denitrification pathway

Nitrous oxide (N2O) emission from soils is a major contributor to the atmospheric loading of this potent greenhouse gas. It is thought that autotrophic ammonia oxidizing bacteria (AOB) are a significant source of soil-derived N2O and a denitrification pathway (i.e. reduction of NO2- to NO and N2O), so-called nitrifier denitrification, has been demonstrated as a N2O production mechanism in Nitrosomonas europaea. It is thought that Nitrosospira spp. are the dominant AOB in soil, but little information is available on their ability to produce N2O or on the existence of a nitrifier denitrification pathway in this lineage. This study aims to characterize N2O production and nitrifier denitrification in seven strains of AOB representative of clusters 0, 2 and 3 in the cultured Nitrosospira lineage. Nitrosomonas europaea ATCC 19718 and ATCC 25978 were analysed for comparison. The aerobically incubated test strains produced significant (P < 0.001) amounts of N2O and total N2O production rates ranged from 2.0 amol cell(-1) h(-1), in Nitrosospira tenuis strain NV12, to 58.0 amol cell(-1) h(-1), in N. europaea ATCC 19718. Nitrosomonas europaea ATCC 19718 was atypical in that it produced four times more N2O than the next highest producing strain. All AOB tested were able to carry out nitrifier denitrification under aerobic conditions, as determined by production of N-15-N2O from applied N-15-NO2-. Up to 13.5% of the N2O produced was derived from the exogenously applied N-15-NO2-. The results suggest that nitrifier denitrification could be a universal trait in the betaproteobacterial AOB and its potential ecological significance is discussed.

Presubmergence and green manure affect the transformations of nitrogen-15-labeled urea under lowland soil conditions

The effect of presubmergence and green manuring on various processes involved in [N-15]-urea transformations were studied in a growth chamber after [N-15]-urea application to floodwater. Presubmergence for 14 days increased urea hydrolysis rates and floodwater pH, resulting in higher NH3 volatilization as compared to without presubmergence. Presubmergence also increased nitrification and subsequent denitrification but lower N assimilation by floodwater algae caused higher gaseous losses. Addition of green manure maintained higher NH4+-N concentration in floodwater mainly because of lower nitrification rates but resulted in highest NH3 volatilization losses. Although green manure did not affect the KCl extractable NH4+-N from applied fertilizer, it maintained higher NH4+-N content due to its decomposition and increased mineralization of organic N. After 32 days about 36.9% (T-1), 23.9% (T-2), and 36.4% (T-3) of the applied urea N was incorporated in the pool of soil organic N in treatments. It was evident that the presubmergence has effected the recovery of applied urea N.

Airborne measurements of the spatial distribution of aerosol chemical composition across Europe and evolution of the organic fraction

The spatial distribution of aerosol chemical composition and the evolution of the Organic Aerosol (OA) fraction is investigated based upon airborne measurements of aerosol chemical composition in the planetary boundary layer across Europe. Sub-micron aerosol chemical composition was measured using a compact Time-of-Flight Aerosol Mass Spectrometer (cToF-AMS). A range of sampling conditions were evaluated, including relatively clean background conditions, polluted conditions in North-Western Europe and the near-field to far-field outflow from such conditions. Ammonium nitrate and OA were found to be the dominant chemical components of the sub-micron aerosol burden, with mass fractions ranging from 20--50% each. Ammonium nitrate was found to dominate in North-Western Europe during episodes of high pollution, reflecting the enhanced NO_x and ammonia sources in this region. OA was ubiquitous across Europe and concentrations generally exceeded sulphate by 30--160%. A factor analysis of the OA burden was performed in order to probe the evolution across this large range of spatial and temporal scales. Two separate Oxygenated Organic Aerosol (OOA) components were identified; one representing an aged-OOA, termed Low Volatility-OOA and another representing fresher-OOA, termed Semi Volatile-OOA on the basis of their mass spectral similarity to previous studies. The factors derived from different flights were not chemically the same but rather reflect the range of OA composition sampled during a particular flight. Significant chemical processing of the OA was observed downwind of major sources in North-Western Europe, with the LV-OOA component becoming increasingly dominant as the distance from source and photochemical processing increased. The measurements suggest that the aging of OA can be viewed as a continuum, with a progression from a less oxidised, semi-volatile component to a highly oxidised, less-volatile component. Substantial amounts of pollution were observed far downwind of continental Europe, with OA and ammonium nitrate being the major constituents of the sub-micron aerosol burden. Such anthropogenically perturbed air masses can significantly perturb regional climate far downwind of major source regions.